Конденсаторы как пассивные электронные компоненты всегда были и остаются на слуху. Разработчики уделяют им немало внимания — равно как и схемам, в которых они применяются. Без них не обходится ни одно серьезное оборудование — начиная от кондиционеров и холодильников, и заканчивая автотехникой. Далее расскажем, в каком случае необходимо применять параллельное или последовательное соединение конденсаторов, как правильно соединить конденсаторы для увеличения емкости и рассчитать их суммарную емкость.
Что такое конденсатор и его основные характеристики
Так называется пассивный электронный компонент, который состоит из пары электродов, отделенных друг от друга диэлектриком. Конденсатор накапливает электрический заряд, при этом: чем толще диэлектрик и обширнее площадь электродов, тем больший заряд накапливает конденсатор.
Конденсаторы находят применение в электросхема и устройствах, как:
- накопители энергии — в источниках бесперебойного питания;
- разделители частот — в радиотехнической отрасли для разделения частот;
- сглаживающие компоненты — в различных фильтрах и т. д.
Основным характеристиками являются:
- номинальная емкость — измеряется в фарадах (в формулах обозначается, как латинская буква «С»);
- точность в процентах — с небольшой разбежкой от номинала;
- напряжение — показатель, измеряемый в вольтах (В или V).
Эти устройства разделяются и по другим критериям, а именно: размерам, рабочей температуре, полярности, частотной зависимости. Наконец — по типу корпуса.
Где и для чего используются
В наши дни конденсатор — неотъемлемая часть электро- и радиосхем. Например:
- В цепи переменного тока играют роль емкостного сопротивления. Применяются в цепях в качестве фильтров, подавляющих низкочастотные и высокочастотные помехи.
- В электромагнитных ускорителях, фотовспышках и лазерах выступают в качестве накопителей электрического заряда с последующей его передачей другим элементам сети, имеющим низкое сопротивление. В результате этого появляется достаточно мощный импульс.
- Во вторичных источниках электрического питания конденсаторы используются для сглаживания пульсаций, возникающих при выпрямлении напряжения.
- Благодаря уникальной способности длительное время сохранять заря, пассивные эти компоненты используют для хранения информации.
- Наконец, в светильниках конденсаторы помогают компенсировать реактивную мощность.
Как подключать конденсаторы
Отдельно взятые элементы могут быть соединены друг с другом самыми разными способами. Тем не менее, даже в этих случаях можно вычислить емкость некого равнозначного конденсатора, который в состоянии заменить целый ряд соединенных между собой устройств.
Параллельное подключение
Этот способ соединения конденсаторов используется тогда, когда необходимо существенно увеличить их общую емкость. Суть такого наращивания состоит в том, что значительно возрастает общая площадь пластин по сравнению с той, которую имеет каждый конденсатор в отдельности. Что касается общей емкости всех элементов, соединенных друг с другом параллельно, то она равняется сумме емкостей каждого из них.
Формула параллельного соединения конденсаторов следующая:
C = Q / U = (Q1 + Q2 + Q3) / U = C1 + C2 + C3.
Из нее становится ясно, что при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных устройств.
Последовательное соединение
Данный вариант соединения конденсаторов используется в том случае, если подводимое к ним напряжение — выше, нежели то, на которое они рассчитаны. Как правило, такая схема используется с одной целью — избежать пробоев элементов, устанавливаемых в электронных схемах.
По сути, последовательно соединенные между собой конденсаторы — не что иное, как обычная цепочка. Где вторая обкладка первого элемента соединяется с первой обкладкой второго, а первая обкладка третьего — со второй второго и т. д.
Формула последовательного соединения конденсаторов: Q1 = Q2 = Q3 = Q.
Из нее выходит, что на обкладках отдельных устройств электрические заряды по величине всегда равны.
Напряжения между обкладками отдельных устройств при их последовательном соединении зависят от емкостей отдельных конденсаторов. То есть: U1 = Q/C1, U1 = Q/C2, U1 = Q/C3.
Общее напряжение: U = U1 + U2 + U3.
Общая емкость эквивалентного конденсатора: C = Q / U = Q / (U1 + U2 + U3).
То есть, при последовательном соединении величина, обратная общей емкости, равна сумме обратных величин емкостей отдельных устройств.
Емкость этих элементов, соединенных последовательно, можно рассчитать, если воспользоваться приведенным ниже уравнением. Пример: «Из формулы емкости системы последовательно соединенных конденсаторов 1 c 1 c1 1 c2 выразите c1». Ответ следующий:
Еще один пример: «Из формулы емкости системы последовательно соединенных конденсаторов 1 c 1 c1 1 c2 выразите c». Ответ следующий:
Совет. Онлайн калькулятор упрощает задачу — он позволяет рассчитать емкость нескольких устройств, подключенных путем последовательного соединения. Надо зайти на страничку: https://www.translatorscafe.com/unit-converter/ru-RU/calculator/series-capacitance/ и ввести в «окошки» конкретные данные.
Смешанное соединение
Как легко догадаться из названия, данное соединения конденсаторов представляет собой комбинацию описанных выше схем. То есть, некое сочетание параллельного и последовательного соединения.
Как правило, на практике оно используется в тех случаях, когда отдельные элементы по емкости и рабочему напряжению не соответствуют параметрам, которые требуются для корректной работы электротехнической установки. При соединении устройств между собой по данной схеме, в первую очередь определяются те эквивалентные емкости, которые имеют их параллельные группы. И лишь потом — емкость, которую имеет последовательное соединение.
| При этом: C2;3 = C2 + C3 C общее = | C1 × C2;3
C1 + C2;3 |
Пример расчета суммарной емкости конденсатора
Для определения емкости конденсатора нужна формула, определяющая, какой заряд способен разместится на конкретном приборе. Для каждого типа конденсатора она своя.
Формула емкости конденсатора цилиндрической формы выглядит следующим образом:
Где:
- l – высота цилиндра;
- R1 и R2 – радиус первого и второго (внешнего) цилиндров;
- ln – это математический символ натурального логарифма, который присутствует практически на всех электронных вычислительных устройствах, включая калькуляторы.
Формула определения емкости плоского конденсатора. Она несколько отличается от приведенной выше:
Где:
- S – площадь одной обкладки;
- εr — диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
- ε0 — электрическая константа (8,854187817×10-12);
- d – расстояние между обкладками.
Есть другая формула для плоского переменного конденсатора, состоящего из нескольких пластин:
Где:
- ε — диэлектрическая проницаемость;
- π = 22/7 ≈ 3,142857142857143;
- d – толщина диэлектрика.
Формула емкости конденсатора, состоящего из двух сфер, когда одна сфера расположена внутри другой:
Что будет, если поставить конденсатор большей емкости
Установка конденсатора с большей емкостью может спровоцировать ряд негативных последствий и выход его из строя. Следует рассмотреть основные риски, связанные с выбором конденсатора, который имеет гораздо большую емкость, нежели та, что рекомендована производителем.
Перегрузка и повреждение электронных компонентов. Конденсаторы с большей емкостью способны накапливать большое количество энергии. При установке такого конденсатора, который превышает емкость, указанную производителем, может возникнуть перегрузка электронных компонентов устройства. Это может привести к повреждению схемы или отдельных элементов.
Повышение тепловыделения. Установка конденсатора с большей емкостью может вызвать повышенное тепловыделение при работе устройства. Чрезмерное нагревание электронных компонентов может привести к снижению их эффективности и сроку службы, а также возникновению нестабильной работы устройства.
Искажение сигналов и снижение качества работы. Конденсаторы с большей емкостью могут влиять на работу сигналов, проходящих через устройство. Из-за большого объема заряда сигналы могут быть искажены или приглушены. Это неизбежно приведет к ошибкам в передаче данных или же неработоспособности самого устройства.
Повышенное энергопотребление. Устройства с большей емкостью потребляют больше энергии. Это приводит к снижению их эффективности и увеличению затрат на электроэнергию.
Как видим, конденсаторы выполняют множество функций — начиная от сохранения энергии, заканчивая фильтрацией сигналов и стабилизацией напряжения. Они являются неотъемлемой частью многих электронных систем, поэтому их корректное применение повышает надежность и эффективность приборов.